基于無(wú)線紅外通信的煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏小慶，阮云蘭，文志誠(chéng)

（1.江西工程學(xué)院，江西 新余 338000；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007）

0 引 言

隨著科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)也在飛速發(fā)展，人們生活質(zhì)量逐漸提升，與此同時(shí)，也帶來(lái)了一些負(fù)面影響[1]，如環(huán)境污染、空氣污染等，其中，也存在大量火災(zāi)危害。所以，對(duì)火災(zāi)報(bào)警裝置的需求越來(lái)越多[2]。當(dāng)下，有線通信多數(shù)被用作火災(zāi)報(bào)警裝置，雖然能有效救治火災(zāi)事故，但是也存在許多不便。目前，此類火災(zāi)報(bào)警裝置仍維護(hù)存在問(wèn)題，如配置復(fù)雜和靈敏度低等，在大型建筑物以及特殊場(chǎng)合中配備較繁瑣，不適合廣泛使用[3?4]?；诖?，本文將這兩種技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，完成全無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)化。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活性高、費(fèi)用低、遠(yuǎn)程報(bào)警速率快、易操作[5]，不僅打破了以往火災(zāi)探測(cè)器的局限，更讓遠(yuǎn)程無(wú)線火災(zāi)報(bào)警和消防管控的發(fā)展更上一層樓。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)所中，傳統(tǒng)的煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，當(dāng)環(huán)境復(fù)雜且多變時(shí)，無(wú)法精確檢測(cè)煙霧濃度，故報(bào)警準(zhǔn)確度不能達(dá)到現(xiàn)實(shí)要求，其使用范圍受到限制。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)線紅外通信的煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，在煙霧自動(dòng)報(bào)警方面引入無(wú)線紅外通信技術(shù)，提升報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)異常煙霧情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)際狀況均相符，監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度較高，應(yīng)用性能顯著。

1 煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線紅外通信的煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過(guò)無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊與煙霧自動(dòng)報(bào)警模塊完成遠(yuǎn)程管控和報(bào)警，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

在該系統(tǒng)中，傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ZigBee 技術(shù)完成，將相同范圍內(nèi)無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊的數(shù)據(jù)相融合后，保存在ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，然后使用網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至GPRS 收發(fā)模塊，再使用電信運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，消防監(jiān)控總控室和消防機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)終端僅需與互聯(lián)網(wǎng)連接，使用相應(yīng)的管理軟件，便能接收到系統(tǒng)的煙霧自動(dòng)報(bào)警信息[6?7]。

1.1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域內(nèi)煙霧濃度、傳輸速度等有關(guān)信息通過(guò)區(qū)域內(nèi)煙霧信息探測(cè)實(shí)時(shí)識(shí)別，通過(guò)真實(shí)設(shè)定的閾值完成探測(cè)，其擁有顯著的效果。通過(guò)無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊、煙霧報(bào)警模塊、ZigBee 發(fā)射模塊、ZigBee 接收模塊、GPRS 收發(fā)模塊和主控制器構(gòu)成煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)，且主控制模塊采用S2C2440。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

1.1.2 無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊屬于透射型煙霧模塊，通過(guò)主動(dòng)式紅外脈沖發(fā)射，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)接收。其工作原理如圖3 所示。

由于探測(cè)距離較遠(yuǎn)，本文選用反射型光電探測(cè)完成自動(dòng)補(bǔ)償和智能化操作。通過(guò)電路將接收的信號(hào)反射到反射電路，需要配置反射裝置[8]。無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊由發(fā)射器和接收器構(gòu)成。報(bào)警火災(zāi)信息通過(guò)接收器輸出完成，實(shí)現(xiàn)步驟為：

步驟1：紅外光束通過(guò)反射發(fā)出穿過(guò)保護(hù)空間。

步驟2：通過(guò)反射鏡將紅外光束反射回來(lái)，穿過(guò)保護(hù)空間傳輸?shù)浇邮掌鳌?/p>

步驟3：通過(guò)物質(zhì)燃燒形成的煙霧散發(fā)至光束區(qū)域，導(dǎo)致接收器接收的輻射通量減少。

步驟4：設(shè)定感煙動(dòng)作閾值和輻射通量減少的量相等。紅外發(fā)光二極管配置在發(fā)射器中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)脈沖使紅外發(fā)光二級(jí)管形成的紅外光穿過(guò)凸透鏡，產(chǎn)生類似平行光束。

步驟5：光束經(jīng)過(guò)被保護(hù)區(qū)域空間射向接收器。反射器反射的紅外光束，通過(guò)接收器中紅外光電管接收并轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，且產(chǎn)生直流電平，通過(guò)內(nèi)部擴(kuò)大和積分電路一起工作輸出。

圖2 煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊工作原理

紅外線光束的輻射通量高低，通過(guò)直流電平高低模擬完成[9]?；馂?zāi)報(bào)警信號(hào)通過(guò)信號(hào)線輸出得到，且直流電平值減少到感煙動(dòng)作閾值時(shí)出現(xiàn)煙霧。

1.1.3 ZigBee?GPRS 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是一種網(wǎng)絡(luò)交叉通信的方式，被大量使用在兩個(gè)高層協(xié)議間，能在傳輸層完成網(wǎng)絡(luò)互連，屬于網(wǎng)間傳輸器。網(wǎng)關(guān)主要工作內(nèi)容是接收每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且從ZigBee 集結(jié)的節(jié)點(diǎn)處理后，利用GPRS 無(wú)線模塊傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信功能芯片選擇GTM900?B 芯片，且屬于一項(xiàng)三頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，此芯片來(lái)源于華為公司[10]。

圖4 為ZigBee?GPRS 網(wǎng)關(guān)邏輯框圖。GPRS 無(wú)線模塊通過(guò)和USATR1 接口配合實(shí)現(xiàn)通信，由于CC2530 芯片的USART0 接口用于開(kāi)發(fā)調(diào)試，且網(wǎng)關(guān)中ZigBee 協(xié)調(diào)器的硬件部分沒(méi)有傳感器單元，其功能與其他傳感器節(jié)點(diǎn)一樣。構(gòu)建TCP/IP 完成遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與GPRS 無(wú)線模塊的連接。GPRS 無(wú)線模塊傳送的數(shù)據(jù)信息將采用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)配置的管理軟件，對(duì)端口數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)聽(tīng)與接收[11]。

圖4 ZigBee?GPRS 網(wǎng)關(guān)邏輯框圖

核心控制芯片CC2530 還可分析傳感器所接收的數(shù)據(jù)，并斷定是否異樣，如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)存在異樣，將發(fā)送報(bào)警短信，報(bào)警短信提示通過(guò)AT 指令，傳送到程序所設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼中，溫度報(bào)警閾值的溫度設(shè)定為50 ℃，當(dāng)火災(zāi)和煙霧探測(cè)器探測(cè)到異樣時(shí)，馬上發(fā)送短信報(bào)警[12?13]。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 上位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊軟件服務(wù)于終端用戶，對(duì)于上位機(jī)模塊的管理軟件的界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易明了，容易操作。傳感器數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和整理利用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2010 開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，再結(jié)合Access 數(shù)據(jù)庫(kù)完成系統(tǒng)管理軟件的設(shè)計(jì)如圖5 所示。

軟件功能主要包括四方面：TCP/IP 連接、數(shù)據(jù)顯示、異樣報(bào)警和數(shù)據(jù)管理。對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行分析，通過(guò)TCP/IP協(xié)議和GPRS 模塊保證接收數(shù)據(jù)信息。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)顯示部分進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)遠(yuǎn)程檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異樣時(shí)，報(bào)警功能需要設(shè)定適合的溫度報(bào)警閾值。根據(jù)數(shù)據(jù)種類將接收的數(shù)據(jù)分類存入有關(guān)數(shù)據(jù)表中，利于查詢。

圖5 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)框圖

1.2.2 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

報(bào)警程序的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的重要部分，其功能包括讀取AD 值、操控報(bào)警指示、控制編程電阻和操控發(fā)射端發(fā)射等。

報(bào)警程序功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6 所示。

圖6 報(bào)警程序

1）驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管運(yùn)行后實(shí)施采樣、ADC 值采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2）判斷煙霧值是否大于標(biāo)準(zhǔn)閾值并及時(shí)反饋。

3）若閾值異常，將系統(tǒng)放大倍數(shù)進(jìn)行更改，且反復(fù)進(jìn)行采樣和處理。

4）若2 次數(shù)值大于標(biāo)準(zhǔn)閾值，便可了解存在異常的情況。

5）探測(cè)間隔時(shí)間設(shè)定為0.2 s，若信號(hào)長(zhǎng)達(dá)3 s，在標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍外，煙霧特性顯示下降狀態(tài)并將其視為異常煙霧，立即啟動(dòng)報(bào)警程序。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可信度，本文選用TOSSIM 運(yùn)行環(huán)境，采用TinyOs 作為事件驅(qū)動(dòng)程序，在PC 環(huán)境下進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某實(shí)驗(yàn)室。圖7 是本實(shí)驗(yàn)?zāi)M某實(shí)驗(yàn)室的界面圖。

圖7 煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)界面圖

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將“%LEL”當(dāng)作煙霧檢測(cè)報(bào)警探測(cè)器的核心參數(shù)，即在區(qū)域內(nèi)碰觸明火時(shí)產(chǎn)生爆炸的燃燒煙霧濃度最小值（即下限值）。反之最大濃度值（即上限值）用UEL 表示。通常，在發(fā)生爆炸的情況下，煙霧濃度在上限和下限之間。在實(shí)際操作時(shí)，將爆炸下限的25%以下作為報(bào)警濃度值，0～100% LEL作為可燃煙霧檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本文通過(guò)煙霧傳感器采用電阻值和煙霧濃度呈現(xiàn)反比例關(guān)系，把有關(guān)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，且二者之間是非線性關(guān)系，并且在復(fù)雜環(huán)境下能有效地對(duì)煙霧濃度的特點(diǎn)以及信息進(jìn)行描述，準(zhǔn)確完成煙霧報(bào)警程序。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)煙霧濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選在某實(shí)驗(yàn)室，選取VESDA 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、TA2000 型自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，出現(xiàn)火災(zāi)下限的煙霧濃度特征報(bào)警閾值和火災(zāi)下限的其他煙霧閾值分別為25%和5%，煙霧報(bào)警高限為1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 無(wú)線煙霧報(bào)警系統(tǒng)在不同檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果

由表1 可知，本文系統(tǒng)在對(duì)區(qū)域內(nèi)煙霧濃度不同檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TA2000 型自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和VESDA 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。其中，VESDA 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)相比TA2000 型自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間下降1～2 s，本文系統(tǒng)相比VESDA 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)下降2～4 s。表中VESDA自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)精度相比TA2000 型自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)精度高出5%～11%，本文系統(tǒng)相比VESDA 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)高出27%～39%，說(shuō)明本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)異常煙霧情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)分析了存在火災(zāi)的情況下，對(duì)本文系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 煙霧和溫度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平均值

由表2 可知，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)際狀況均相符，由此驗(yàn)證本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的可信度。

3 結(jié) 論

無(wú)線紅外通信技術(shù)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸實(shí)現(xiàn)，其速度快、準(zhǔn)確率高。本文設(shè)計(jì)一款基于無(wú)線紅外通信的煙霧自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，若系統(tǒng)中無(wú)線紅外光電煙霧探測(cè)模塊，探測(cè)到環(huán)境煙霧值大于標(biāo)準(zhǔn)閾值，則可判斷為煙霧異樣，通過(guò)ZigBee 發(fā)射模塊中ZigBee?GPRS 網(wǎng)關(guān)，將煙霧異常信息傳輸至煙霧報(bào)警模塊，煙霧報(bào)警模塊通過(guò)ZigBee 接收模塊獲取煙霧異常信息后，通過(guò)手機(jī)短信的形式，將警情信息傳送到相關(guān)責(zé)任人員，且現(xiàn)場(chǎng)發(fā)動(dòng)聲光報(bào)警，完成立體復(fù)合報(bào)警的功效。在某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能有效探測(cè)煙霧濃度，可應(yīng)用于煙霧自動(dòng)報(bào)警程序中。